Защо магнитите нямат ефект върху някои метали

Магнетизмът и електричеството са свързани толкова тясно, че дори може да ги считате за две страни на една и съща монета. Магнитните свойства, проявявани от някои метали, са резултат от условията на електростатично поле в атомите, които съставят метала.

Всъщност всички елементи имат магнитни свойства, но повечето не ги проявяват по очевиден начин. Металите, които се привличат от магнитите, имат едно общо нещо и това са несдвоени електрони във външните им обвивки. Това е само една електростатична рецепта за магнетизъм и тя е най-важната.

Метали, които можете да магнетизирате трайно, са известни катоферомагнитниметали и списъкът на тези метали е малък. Името идва отферум, латинската дума за желязо.​

Има много по-дълъг списък с материали, които сапарамагнитни, което означава, че те се магнетизират временно, когато са в присъствието на магнитно поле. Парамагнитните материали не са всички метали. Някои ковалентни съединения, като кислород (O₂) проявяват парамагнетизъм, както и някои йонни твърди вещества.

Всички материали, които не са феромагнитни или парамагнитни, садиамагнитни, което означава, че те проявяват леко отблъскване към магнитни полета и обикновен магнит не ги привлича. Всъщност всички елементи и съединения са диамагнитни до известна степен.

За да разберете разликите между тези три класа магнетизъм, трябва да погледнете какво се случва на атомно ниво.

В приетия в момента модел на атома ядрото се състои от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони, държани заедно от силната сила, една от основните сили на природата. Облак от отрицателно заредени електрони, заемащи дискретни енергийни нива или черупки, обгражда ядрото и това са нещата, които придават магнитни качества.

Орбиталният електрон генерира променящо се електрическо поле и според уравненията на Максуел това е рецептата за магнитно поле.Величината на полето е равна на площта вътре в орбитата, умножена по тока.Отделен електрон генерира малък ток и полученото магнитно поле, което се измерва в единици, наречениМагнетони на Бор, също е мъничка. В типичен атом полетата, генерирани от всичките му орбити, обикновено се отменят.

Не само орбиталното движение на електрона създава заряд, но и друго свойство, известно катовъртене. Както се оказва, спинът е много по-важен за определяне на магнитните свойства от орбиталното движение, тъй като общото въртене в атома е по-вероятно да бъде асиметрично и способно да създаде магнит момент.

Можете да мислите за спин като посока на въртене на електрон, макар че това е просто грубо приближение. Спинът е присъщо свойство на електроните, а не състояние на движение. Електрон, който се върти по часовниковата стрелка имаположително завъртане, или завъртете нагоре, докато този, който се върти обратно на часовниковата стрелка, имаотрицателно завъртанеили завъртете надолу.

Спинът на електроните е квантово механично свойство без класическа аналогия и той определя разположението на електроните около ядрото. Електроните се подреждат в двойки въртене нагоре и надолу във всяка обвивка, така че да създадат нулева мрежамагнитен момент​.

Електроните, отговорни за създаването на магнитни свойства, са тези в най-външните, иливалентност, черупки на атома. По принцип присъствието на несдвоен електрон във външната обвивка на атома създава нетен магнитен момент и придава магнитни свойства, докато атомите със сдвоени електрони във външната обвивка нямат нетен заряд и са диамагнитни. Това е опростяване, тъй като валентните електрони могат да заемат по-ниски енергийни обвивки в някои елементи, особено желязото (Fe).

Токовите контури, създадени от орбита на електрони, правят всеки материал диамагнитен, защото когато се прилага магнитно поле, всички контури на тока се подравняват в противоположност на него и се противопоставят на полето. Това е приложение наЗаконът на Ленц, който гласи, че индуцирано магнитно поле се противопоставя на полето, което го създава. Ако спинът на електроните не влезе в уравнението, това би бил краят на историята, но спинът влезе в него.

Общатамагнитен момент J​на атом е сумата от неговатаорбитален ъглов моменти евъртящ ъглов момент. КогаJ= 0, атомът е немагнитен и когатоJ≠ 0, атомът е магнитен, което се случва, когато има поне един несдвоен електрон.

Следователно всеки атом или съединение с напълно запълнени орбитали е диамагнитно. Хелий и всички благородни газове са очевидни примери, но някои метали също са диамагнитни. Ето няколко примера:

• Цинк
• живак
• Калай
• Телур
• Злато
• Сребро
• Мед

Диамагнетизмът не е нетният резултат от това, че някои атоми в дадено вещество се изтеглят по един начин от магнитно поле, а други се изтеглят в друга посока. Всеки атом в диамагнитния материал е диамагнитен и изпитва същото слабо отблъскване към външно магнитно поле. Това отблъскване може да създаде интересни ефекти. Ако окачите лента от диамагнитен материал, като злато, в силно магнитно поле, тя ще се подреди перпендикулярно на полето.

Ако поне един електрон във външната обвивка на атома е сдвоен, атомът има нетен магнитен момент и той ще се подреди с външно магнитно поле. В повечето случаи подравняването се губи, когато полето бъде премахнато. Това е парамагнитно поведение и съединенията могат да го проявяват, както и елементи.

Някои от най-често срещаните парамагнитни метали са:

• Магнезий
• Алуминий
• Волфрам
• Платина

Някои метали са толкова слабо парамагнитни, че реакцията им на магнитно поле едва ли се забелязва. Атомите се подравняват с магнитно поле, но подравняването е толкова слабо, че обикновеният магнит не го привлича.

Не можехте да хванете метала с постоянен магнит, колкото и да се стараете. Въпреки това бихте могли да измерите магнитното поле, генерирано в метала, ако имате достатъчно чувствителен инструмент. Когато се постави в магнитно поле с достатъчна сила, лента от парамагнитен метал ще се подреди успоредно на полето.

Когато мислите за вещество с магнитни характеристики, обикновено мислите за метал, но няколко неметала, като калций и кислород, също са парамагнитни. Можете да демонстрирате парамагнитната природа на кислорода за себе си с обикновен експеримент.

Налейте течен кислород между полюсите на мощен електромагнит и кислородът ще се събере на полюсите и ще се изпари, образувайки облак от газ. Опитайте същия експеримент с течен азот, който не е парамагнитен и нищо няма да се случи.

Някои магнитни елементи са толкова податливи на външни полета, че се магнетизират, когато са изложени на такова, и запазват своите магнитни характеристики, когато полето се премахне. Тези феромагнитни елементи включват:

• Желязо
• Никел
• Кобалт
• Гадолиний
• Рутений

Тези елементи са феромагнитни, тъй като отделните атоми имат повече от един несдвоен електрон в орбиталните си черупки. но се случва и нещо друго. Атомите на тези елементи образуват групи, известни катодомейни, и когато въведете магнитно поле, домейните се подравняват с полето и остават подравнени, дори след като премахнете полето. Този забавен отговор е известен катоистериза,и може да продължи години.

Някои от най-силните постоянни магнити са известни каторядкоземни магнити. Две от най-често срещаните санеодиммагнити, които се състоят от комбинация от неодим, желязо и бор, исамариев кобалтмагнити, които са комбинация от тези два елемента. Във всеки тип магнит феромагнитен материал (желязо, кобалт) е подсилен от парамагнитен елемент от редки земни елементи.

​Феритмагнити, които са направени от желязо, иалникомагнитите, които са направени от комбинация от алуминий, никел и кобалт, обикновено са по-слаби от редки земните магнити. Това ги прави по-безопасни за използване и по-подходящи за научни експерименти.

Всеки магнитен материал има характерна температура, над която започва да губи своите магнитни характеристики. Това е известно катоКюри точка, кръстен на Пиер Кюри, френския физик, открил законите, които свързват магнитната способност с температурата. Над точката на Кюри атомите във феромагнитния материал започват да губят своето подреждане и материалът става парамагнитен или, ако температурата е достатъчно висока, диамагнитен.

Точката на Кюри за желязото е 1418 F (770 C), а за кобалта е 2050 F (1 212 C), което е една от най-високите точки на Кюри. Когато температурата падне под точката на Кюри, материалът възвръща своите феромагнитни характеристики.

Магнетитът, известен също като желязна руда или железен оксид, е сиво-черният минерал с химическа формула Fe₃О₄ това е суровината за стомана. Той се държи като феромагнитен материал, ставайки трайно магнетизиран, когато е изложен на външно магнитно поле. До средата на ХХ век всички предполагаха, че е феромагнитна, но всъщност е такаферимагнитна, и има значителна разлика.

Феримагнетизмът на магнетита не е сбор от магнитните моменти на всички атоми в материала, което би било вярно, ако минералът е феромагнитен. Това е следствие от кристалната структура на самия минерал.

Магнетитът се състои от две отделни решетъчни структури, октаедрична и тетраедрична. Двете структури имат противоположни, но неравномерни полярности и ефектът е да се създаде нетен магнитен момент. Други известни феримагнитни съединения включват итриев железен гранат и пиротин.

Под определена температура, която се наричаТемпература на Неелслед френския физик Луис Неел, някои метали, сплави и йонни твърди вещества губят своите парамагнитни качества и стават неподвластни на външните магнитни полета. По същество те се размагнитват. Това се случва, защото йоните в решетъчната структура на материала се подравняват в антипаралелни разположения в цялата структура, създавайки противоположни магнитни полета, които се отменят.

Температурите на Неел могат да бъдат много ниски от порядъка на -150 C (-240F), което прави съединенията парамагнитни за всички практически цели. Въпреки това, някои съединения имат температури на Néel в диапазона от стайна температура или по-висока.

При много ниски температури антиферомагнитните материали не проявяват магнитно поведение. С повишаването на температурата някои от атомите се освобождават от решетъчната структура и се подравняват с магнитното поле, а материалът става слабо магнитен. Когато температурата достигне температурата на Неел, този парамагнетизъм достига своя връх, но тъй като температурата се повишава отвъд това точка, термичното разбъркване пречи на атомите да поддържат своето изравняване с полето и магнетизмът непрекъснато пада изключен.

Не са много елементите антиферомагнитни - само хром и манган. Антиферомагнитните съединения включват манганов оксид (MnO), някои форми на железен оксид (Fe₂О₃) и бисмутов ферит (BiFeO₃).